[반도체 A to Z] 1. 반도체 재료

안녕하세요, 정보공유소 입니다.

 

이제부터 반도체에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

반도체의 기본 부터, 응용까지 제가 알고 있는 반도체 지식을 모두 공유하도록 하겠습니다.

내용은 대학교 한 학기 정도로 생각하고 있습니다.

반도체를 전공하지 않으신 분들도 충분히 이해할 수 있도록 노력하였습니다.

또한, 이해를 돕기위하여 최대한 한글을 사용하도록 하겠습니다.

물론 반도체라는 학문이 한글로 해석 안되는 부분도 분명히 있습니다만, 어렵게 설명하려고 이 블로그를 작성한 것은 아니기때문에 한글을 최대한 사용하도록 하겠습니다.

 

첫 번째 시간으로 반도체 재료에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

1. 반도체 재료 (Semiconductor material)

반도체 (semiconductor)에 사용되는 재료들은 매우 많습니다.

반도체에 사용되고 있는 원소들을 주기율표의 빨강색 박스 (red open box)로 표시해 보았습니다.

생각보다 많은 원소들이 반도체 재료로 사용되고 있습니다.

 

반도체라고 하면, 도체 (conductor)와 부도체 (insulator)의 중간체라고 생각하고 계신분들이 많이 있습니다.

도체와 부도체로 구분하는 것은 전기적 특징 (electric property) 때문인데요.

바로 비저항 (resistivity)의 차이로 도체, 반도체, 부도체를 구분할 수 있습니다.

위 그림은 온도 (temperature) 변화에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림 입니다.

전반적으로 비저항의 크기는 도체가 가장 작고, 부도체가 가장 큽니다.

반도체는 중간 정도의 비저항을 가지고 있습니다.

즉, 도체는 비저항이 낮으므로 전류가 잘 흐르는 (= 전자가 잘 이동하는) 전기적 특징을 갖게 됩니다.

부도체는 비저항이 매우 높으므로 전류가 잘 흐르지 않는 (= 전자를 잘 차단하는) 전기적 특징을 갖게 됩니다.

반도체는 이도 저도 아니지만, 상황에 따라 전류의 흐름을 조절할 수 있는 전기적 특징을 갖게 됩니다.

여기서 특징이 하나 있는데요.

도체는 온도가 증가하면서 비저항이 증가하는 경향을 가지고 있습니다.

부도체는 큰 차이는 아니지만 온도가 증가하면 비저항이 조금 감소합니다.

반도체의 경우, 저온에서는 온도 증가에 대해 큰 폭으로 비저항이 감소합니다.

하지만 고온에서는 온도 증가에 따른 비저항 감소 폭이 적습니다.

이러한 온도 변화에 따른 비저항 변화는 앞으로 모든 반도체 설명에 아주 큰 도움이 되오니 잘 기억해 주시기 바랍니다.

 

그럼 반도체에서 가장 많이 사용되고 있는 원소는 무엇일까요?

바로 규소 (silicon, Si) 입니다.

Si은 원소번호 14번, 28.085의 질량을 가지고 있습니다.

Si을 가장 많이 사용되는 가장 큰 이유는 저렴한 비용때문입니다.

지구에서 Si은 세 번째로 많이 존재하는 원소이며, 그 함유량은 약 15 wt% 정도 입니다.

지각의 대부분이 흙으로 되어 있는데, 흙 속에는 산화 규소 (silicon oxide, SiO₂)가 많이 포함되어 있죠.

SiO₂에서 Si을 추출하면 되기때문에 Si을 저렴하게 생산할 수 있습니다.

다른 이유는 반도체의 성질을 가지고 있기 때문입니다.

Si은 생각보다 비저항이 0.1~60 Ω·m로 높습니다.그런데 Si에 보론 (boron, B), 인 (phosphorous, P)과 같은 원소를 주입하면 비저항이 감소하는 성질을 가지고 있습니다.

즉, 비저항을 낮춰서 전류를 잘 흐르게 하고 싶은 곳이 있으면 B 또는 P를 주입하여 선택적으로 전기적 특성을 좋게 할 수 있습니다.

 

Si은 단결정 Si (single crystalline Si)과 다결정 Si (poly crystalline Si)이 있습니다.

또한, 위에서 언급한 SiO₂는 대부분 비정질 (amorphous) 입니다.

그럼 단결정, 다결정, 비정질은 무엇을 의미할까요?

바로 재료의 결정성 (crystallinity)을 의미합니다.

우선, 결정 (crystalline)이 무엇인지 살펴 보겠습니다.

 

모든 물질은 원자 (atom)로 구성되어 있습니다.

원자는 전자 (electron)와 핵 (nucleus)으로 구성되어 있고, 핵은 양성자 (proton)와 중성자 (neutron)로 이루어져 있습니다.

원자가 모여서 어떠한 성질을 갖게 되고, 그 것이 커지게 되면 기체, 액체, 고체와 같은 물질이 됩니다.

 

이 때 원자가 서로 결합하여 고체 (solid)를 이루게 되는데, 위 그림의 왼쪽 그림처럼 모든 원자가 규칙적으로 모든 방향으로 배열되는 것을 단결정이라고 합니다.

위 그림의 오른쪽 그림처럼 여러 방향으로 배열되는 단결정이 있는 것을 다결정이라고 합니다.

그리고 단결정도 다결정도 아닌 고체를 비정질이라고 생각하시면 됩니다.

물론 이 세 가지로 고체를 정의할 수 없습니다만, 너무 깊게 알게되면 피곤하기때문에 여기까지 이해하고 넘어가겠습니다.

사실 반도체는 고체로 이루어져 있습니다.

물론 반도체를 제조하는 과정에서 기체, 액체를 사용하지만, 제조된 반도체는 고체입니다.

그래서 고체의 성질을 잘 이해하는 것이 굉장히 중요합니다.

 

Si이 반도체에 사용되는 대표적인 단결정, 다결정 재료 입니다.

그럼 비정질 중에서 가장 많이 사용하고 있는 재료는 뭐가 있을까요?

바로 SiO₂ 입니다.

사실 SiO₂의 단결정도 존재합니다.

 

바로 쿼츠 (quartz)라고 부르는 SiO₂ 단결정입니다.

우리말로는 석영이라고 부르는 쿼츠는 흔히 관찰할 수 없는 광물중에 하나이기도 합니다.

 

반도체에서 비정질 SiO₂는 절연체 또는 부도체 (insulator)로 주로 사용됩니다.

절연체는 전기적으로 전류의 흐름 (전자의 이동)을 막아주는 역할을 합니다.

전류가 잘 흘러야 될 것 같은 반도체에서, 왜 전류를 흐르지 않게 하는지는 나중에 설명드리도록 하겠습니다.

 

이 외에도 많은 재료들이 반도체에 사용됩니다.

다른 반도체 재료들은 반도체의 작동 원리나, 공정을 설명드릴 때 추가하도록 하겠습니다.

 

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